【正文】 為 max，推理(Implication)為 min，合成(Aggregation)為 max，解模糊 (Defuzzification)為 som。從一般過程對(duì)階躍輸入的響應(yīng)情況，可以得到 PID 控制器在實(shí)際工作中有 e， ec 時(shí)，應(yīng)該能夠推出合理的 kp、 ki 和kd 的模糊控制規(guī)則。 0 4 2 0 2 4 66NB NM NS ZE PS PB圖 22 e,ec 的隸屬度函數(shù)PM河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)說明書） 14 0 4 2 0 2 4 66NB NM NS ZE PS PM PB圖 23 kp、 ki、 kd 的隸屬度函數(shù) 控制規(guī)則的設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略，而手動(dòng)控制策略又是人們通過學(xué)習(xí)、實(shí)踐以及長期經(jīng)驗(yàn)累積逐漸形成的，它是存儲(chǔ)在操作者頭腦中的一種技術(shù)知識(shí)集合。當(dāng)偏差大于某值時(shí)，曲線密度可設(shè)置的小一些，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；當(dāng)偏差小于某值時(shí)，曲線密度可設(shè)置的大一些，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)精度和減小超調(diào)。參數(shù) kp、 ki 和 kd 的隸屬度函數(shù)選用三角形曲線，如圖 23 所示。本文選定 e、 ec 的論域?yàn)閧6，5，4，3，2，l，0，l ，2，3，4，5，6}，kp、ki 和 kd 的論域也為{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6} ，語言變量均選取 7 個(gè)語言值：PB，PM ，PS，ZE，NS，NM，NB，分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。隸屬度函數(shù)的確立目前還沒有一套成熟有效的方法，大多數(shù)系統(tǒng)的確立方法還停留在經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。隸屬度函數(shù)是模糊控制的應(yīng)用基礎(chǔ)，正確構(gòu)造隸屬度函數(shù)是能否用好模糊控制的關(guān)鍵之一。為了描述論域 U 中任一元素U 是否屬于集合 A，通常可以用 0 或 1 標(biāo)志。隸屬函數(shù)(membership function)，用于表征模糊集合的數(shù)學(xué)工具。精確量的模糊化就是把物理量的精確值轉(zhuǎn)換為語言變量值，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行模糊化的變量有偏差、偏差變化率、PID 控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。 隸屬度函數(shù)的建立由模糊自適應(yīng)控制器結(jié)構(gòu)圖可以看出，模糊控制器的輸入輸出都要求精確量，而模糊控制算法本身需要模糊量，這樣就需要在模糊控制算法實(shí)現(xiàn)過程中，能夠使精確量和模糊量之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。(2)當(dāng) e 中等時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小超調(diào)，應(yīng)取較小的 kp 、k i 的取值要適當(dāng)，k d 的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，應(yīng)取得小一些。河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)說明書） 12采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的 PID 控制算法，其離散 PID 控制規(guī)律為：式中 u(k)為第 k 個(gè)采樣時(shí)刻控制器輸出量；e(k)第 k 個(gè)采樣時(shí)刻控制器輸入量(偏差信號(hào) ) kp、 ki 和 kd 分別為比例、積分、微分系數(shù)。(3)微分作用系數(shù) kd 的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。 ki 越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快．但 ki 過大，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。k p 取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來考慮，k p、 ki 和kd 的作用如下：(1)比例系數(shù) kp 的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 參數(shù)自整定原則PID 參數(shù)模糊自整定是找出 PID 三個(gè)參數(shù)與系統(tǒng)誤差 e 和誤差變化率 ec 之間的模糊關(guān)系 [23]，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè) e 和 ec，根據(jù)模糊控制原理來對(duì) 3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同 e 和 ec 對(duì)控制參數(shù)的不同要求，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。由模糊參數(shù)自適應(yīng) PID 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可以看出，其中r(t)為輸入值，y(t) 為實(shí)際輸出值，參數(shù)校正部分實(shí)質(zhì)為一個(gè)模糊控制器，該模糊控制器采用如下 5 個(gè)模糊變量：(1)e(k)，控制系統(tǒng)的輸入偏差；(2)ec(k)，控制器的輸入偏差變化率；(3)kp，控制器輸出的比例系數(shù)；(4) ki，控制器輸出的積分系數(shù)；(5) kd，控制器輸出的微分系數(shù)。PID 控制器 D/A 對(duì)象A/Dde/dt執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感器+模糊推理Kp ki kd圖 21 自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)Y(t)R(t)河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)說明書） 11由控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可見，這是在一般 PID 控制器的基礎(chǔ)上加上了一個(gè)模糊控制環(huán)節(jié)，模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)是為了根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)調(diào)節(jié) PID 參數(shù)而設(shè)置的。自適應(yīng)模糊 PID 控制器以誤差 e 和誤差變化 ec 作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的 e 和 ec 對(duì) PID 參數(shù)自整定的要求。這如同人們?cè)诳刂七^程中不斷了解和掌握控制規(guī)律一樣，因此，它屬于人工智能的范疇，即對(duì) PID 參數(shù)實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)節(jié)。模糊自適應(yīng) PID 控制器目前有多種結(jié)構(gòu)形式，但其工作原理基本一致。這種控制必須精確地確定對(duì)象模型，首先將操作人員長期實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用控制規(guī)則模型化，然后運(yùn)用推理便可對(duì) PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)整。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整 PID 參數(shù)，這樣就出現(xiàn)了智能 PID 控制器。自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在線辨識(shí)對(duì)象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)保持在最佳范圍，其控制效果的好壞取決于辨識(shí)模型的精確度，這對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的。雖然模糊控制器和常規(guī)控制器相比具有無須建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)被控對(duì)象的非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力等特點(diǎn)，但是它也存在一些例如精度不高，自適應(yīng)能力有限和易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象等缺陷。它的基本原理是：把系統(tǒng)的輸入進(jìn)行模糊化處理轉(zhuǎn)化為模糊量，然后按照給出的規(guī)則對(duì)模糊量進(jìn)行推理，最后把推理的結(jié)果進(jìn)行去模糊化處理轉(zhuǎn)化為精確量。河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)說明書） 9模糊控制是基于模糊推理 [18]，模仿人的思維方式，對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型的對(duì)象實(shí)施的一種控制，它是模糊理論和控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，同時(shí)也是構(gòu)成智能控制的重要組成部分。它不僅把模糊系統(tǒng)理論首先應(yīng)用于控制，并且充分展示了模糊控制技術(shù)的應(yīng)用前景。第 2 章 模糊 PID 控制 模糊控制基本原理1965 年，美國加利福尼亞大學(xué)扎德(L．A．Zadeh，1962)教授發(fā)表了題為《模糊集合論》著名論文 [16][17]，從此開創(chuàng)了模糊數(shù)學(xué)和模糊系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)。(3)簡要介紹了 Linux 操作系統(tǒng)上硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的相關(guān)概念及開發(fā)過程，之后分別對(duì)溫度檢測(cè)模塊、D/A 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、控制算法模塊等應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明。本文在對(duì) AT91RM9200 微處理器進(jìn)行了介紹之后，對(duì)溫度檢測(cè)單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行了擴(kuò)展，采用專用顯示控制器控制 LCD 顯示。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)說明書） 8(Embedded Operation System，EOS)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件， EOS 負(fù)責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)。(3)系統(tǒng)軟件層系統(tǒng)軟件層由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(Real—time Operation System，RTOS) 、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口(Graphic User Interface，GUI)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。(2)中間層硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層(HardwareAbstract Layer，HAL)或板級(jí)支持包 (Board Support Package，BSP)，它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)程序與硬件無關(guān)，上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù) BSP 層提供的接口即可進(jìn)行開發(fā)。在一片嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路，就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。下面對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成進(jìn)行介紹 [15]。一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。目前嵌入式系統(tǒng)的軟件主要有兩大類：實(shí)時(shí)系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的分類及組成嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成 [12]。河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)說明書） 7(5)嵌入式軟件開發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。(3)系統(tǒng)精簡。從上面的定義，我們可以看出嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)重要特征：(1)系統(tǒng)內(nèi)核小。這些年來掀起了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用熱潮的原因有幾個(gè)方面：一是芯片技術(shù)的發(fā)展，使得單個(gè)芯片具有更強(qiáng)的處理能力，而且使集成多種接口已經(jīng)成為可能，眾多芯片生產(chǎn)廠商已經(jīng)將注意力集中在這方面。 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)相對(duì)模糊的定義，在中國嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，比較認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)概念是 [10]：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其實(shí) PID 控制器自身存在著固有的缺陷 [9]：在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控對(duì)象往往具有非線性、時(shí)變性、不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī) PID 控制器不能達(dá)到理想的控制效果；在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中參數(shù)整定方式十分煩雜，常規(guī) PID 控制器參數(shù)往往整定不良，性能不好，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)能力差，特別是對(duì)于溫度這種受周圍環(huán)境影響較大的控制對(duì)象，不能很好的根據(jù)需要調(diào)節(jié) PID 參數(shù)。盡管許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但 PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡單 [7]，容易被理解和實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用中不需要精確的系統(tǒng)模型的預(yù)先知識(shí)，對(duì)模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中。在溫度控制方式上，目前大多數(shù)采用的是 PID 控制方式 [6]。采用嵌入式硬件和軟件的溫度控制系統(tǒng)具有很高的測(cè)量精度和控制精度，而且實(shí)時(shí)性好，能進(jìn)行較復(fù)雜的算法運(yùn)算，體積也大大減小，有著非常人性化的人機(jī)界面。隨著微電子和嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論的不斷完善，工業(yè)溫度控制要求也越來越高。目前國內(nèi)市場(chǎng)上的溫度控制裝置有很多，并且技術(shù)水平也在不斷發(fā)展，但和國外同類產(chǎn)品相比，在功能、智能化程度和可靠性方面還有很大差距，這就使得生產(chǎn)自主研發(fā)的高技術(shù)低價(jià)位的產(chǎn)品具有了更大的現(xiàn)實(shí)意義?？傊瑴囟瓤刂葡到y(tǒng)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)乃至國民經(jīng)濟(jì)都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。特別是在很多工業(yè)場(chǎng)合，溫度控制的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量和控制對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行起著至關(guān)重要的作用，由于溫度對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有著非常重要的作用，所以溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展也得到了進(jìn)一步的推進(jìn)。 In software, transplanting embedded realtime operating system Linux, temperature detection module, to D/A data conversion module, liquid crystal display module and control algorithm of the application development design, this article design temperature control system is for general industrial temperature control characteristics of the proposed, with expandability, high reliability and response speed, small volume and other characteristics, to manage the plex system resources. On the market at present the molding temperature control products is widely adopted in the traditional PLC and singlechip processor to implement, can meet the users most situation the need. With microelectronics and embedded technology of rapid development as well as the automatic control theory, the perfection of the industrial temperature control requirements more and more is also high. Now many domestic and foreign t